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1、第7期转子悬浮式微静电电机的检测电路设计·77·更多电子资料请登录赛微电子网www.srvee.com转子悬浮式微静电电机的检测电路设计*陈喆韩丰田(清华大学精密仪器及机械学系,北京100084)摘要:静电悬浮电机通过可控的静电力将转子无接触地悬浮起来,具有极高的工作寿命,可用作力平衡式三轴加速度计或双轴角速率陀螺。研制的转子静电悬浮式微电机采用差动电容式微位移传感器来精确检环形转子在电极腔内的运动,然后借助于悬浮控制系统来实现转子的五自由度有源静电悬浮。文中介绍了基于公共激励电极方案的微位移检测电路,并进行了设计仿真和实验测试。仿真分
2、析和实验测试表明,设计的电容式位移检测电路可用于MEMS微静电悬浮电机的悬浮控制系统。关键词:微位移检测；静电悬浮电机；差动电容传感器；微机电系统中图分类号:TH133.3;U666.12 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:460.4099ElectronicinterfacedesignforelectrostaticmicromotorwithlevitatedrotorChenZheHanFengtian(DepartmentofPrecisionInstrumentandMechanology,TsinghuaUni
3、versity,Beijing100084,China)Abstract:Micromotorswiththeelectrostaticallylevitatedrotorinelectrodecavitybehavelongdurationofoperation,andcanbeusedasadual-axisgyrooraforce-balancedtri-axisaccelerometer.Thepositionoftherotorinthoseelectrostaticlevitation-basedmicromotorsisu
4、suallydetectedbysensingthedifferentialrotor-electrodecapacitanceandfurtherfedbacktomulti-axisactivelevitationcontrolloopwithanaimtokeepstablesuspensionoftherotor.Inthispaper,theoreticalanalysisandexperimentaldataofacapacitivepositionsensinginterfacebasedoncommonexcitatio
5、n-electrodeschemeispresentedforanelectrostaticlevitation-basedmicromotor.Thesimulationandexperimentalperformanceindicatethattheproposedcapacitiveinterfacecircuitcanbeusedtoachievemulti-axiselectrostaticsuspensionoftherotorforsuchmicromotorsfabricatedbyMEMStechnology.Keyw
6、ords:capacitivepositionsensing;electrostaticlevitation;differentialcapacitancesensor;MEMS第7期转子悬浮式微静电电机的检测电路设计·77·1引言静电电机不使用磁铁,不需要线圈,结构简单,容易实现微型化。随着MEMS加工工艺逐渐成熟,解决了静电电机的机械加工精度问题,同时转子与定子的间隙大大缩小,使得工作电压得以大幅度降低。与其他类型的微型电机相比,静电电机具有与IC工艺兼容、转速高、控制简单等优点,具有广阔的应用前景[1]。静电悬浮式静电电机利用可控
7、的静电力,将转子无接触、无摩擦地悬浮在超高真空的定子电极腔中,消除了机械摩擦和磨损,具有极高的工作寿命。对微电机结构进行真空封装后易于获得很高的转速,可用作双自由度角速率陀螺或三轴线加速度计[2]。转子悬浮式静电电机需要精确检测转子在定子电极腔内的运动来实现多自由度的有源静电悬浮[3]第7期转子悬浮式微静电电机的检测电路设计·77·。由于静电悬浮电机的转子无法直接引线,所采用的位移检测方案与传统的差动电容式传感器有所不同。日本东北大学研制的微静电陀螺采用频分复用的检测方案[4],在各个自由度的悬浮电极上施加不同频率的载波信号,通过公共的
8、读出电极输出多个自由度的位移检测信号。本文提出的位移检测方案中,采用单一频率的载波信号施加到公共电极,多自由度位移检测通过配置独立的检测回路来实现,简化了悬浮加力电路设计。2位移检测电路设计位移检测电路将一
